二硫化鉬超低摩擦機理研究取得進展

近日，基於先進的納米材料合成與微結構表徵技術，中國科學院蘭州化學物理研究所固體潤滑國家重點實驗室研究員王金清和博士侯凱明等人在二硫化鉬納米結構的合成及其在不同環境氣氛下的摩擦學機理方面開展了深入研究，通過藉助二硫化鉬的二維納米化所帶來的高度結構靈活性和空間自由度，分析並確定了二硫化鉬實現超低摩擦機理的關鍵證據。

研究人員對具有獨特納米片縱向排列特點的二硫化鉬納米結構塗層進行了摩擦學性能研究。結果發現，在大氣氣氛中的固體干摩擦和固-液複合潤滑以及真空干摩擦條件下，以上塗層在摩擦係數、磨損形貌和潤滑壽命方面呈現出完全不同的摩擦學表現。在大氣氣氛中，固-液複合潤滑狀態下的二硫化鉬因自取向排列形成高度有序的轉移膜而較干摩擦狀態具有更加優異的潤滑性能。轉移膜剖面分析表明二硫化鉬分子層呈現出由基底粘附束縛到外表面自由滑移取向的轉變（圖1），有力證明了二硫化鉬的晶內滑移機理。在真空環境下，首次觀察到摩擦過程中二硫化鉬納米片受往複剪切應力的誘導可以相互包覆和卷繞，形成類似捲心菜結構的納米球（圖2），揭示了滾動運動的存在。通過脈衝激光沉積二硫化鉬塗層的實驗對比及分子動力學模擬，進一步證實了滾動運動對實現0.01以下超低摩擦的關鍵作用。

此外，該理論研究還證明由兩種不同二維納米片所形成的異質結材料具有因晶格失配所帶來的結構非公度性，這種非公度性可大幅降低層間滑移勢壘。根據二硫化鉬納米片與石墨烯晶格常數的不同，合成了石墨烯/二硫化鉬異質材料，並觀察到局部非公度所形成的特徵摩爾紋超晶格結構，該結構在摩擦過程中表現出大幅優於單一二維材料和二者物理混合物的潤滑性能，進一步確認了結構非公度性在新型潤滑材料設計及潤滑性能提升方面的巨大潛力和應用價值。

二硫化鉬（MoS2）是一種在工業潤滑領域，尤其是在一些對傳統潤滑油脂污染比較敏感的場合（如光學、半導體器件和食品生產）和空間苛刻環境（如航空航天器）下應用廣泛的固體潤滑材料。雖然對二硫化鉬的應用記載最早可追溯至工業革命早期，但對其潤滑機理的探索直至20世紀40年代才逐步展開。由於摩擦過程是一個典型的非平衡複雜過程，具有多因素耦合的特徵。因此，當前對不同環境中二硫化鉬潤滑機理的解釋仍是眾說紛紜，難以形成共識。

二硫化鉬的潤滑性能主要來自於其層狀結構。但傳統塊體結構無法在微觀層面上進行設計與摩擦學性能關聯，從而在機理解釋中缺乏相應的證據支持。二硫化鉬在摩擦過程中發生的是滾動運動還是滑動運動？晶內滑移還是晶間滑移？公度性接觸還是非公度性接觸？這三個關鍵問題涉及到二硫化鉬潤滑機理的本質與核心。

圖1.大氣環境中固-液複合潤滑狀態下二硫化鉬的摩擦學行為

圖2.真空環境下二硫化鉬納米片的摩擦學行為

來源：中國科學院蘭州化學物理研究所

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